基于單片機的MP3設(shè)計與實現(xiàn)

1、西安航空學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 基于單片機的MP3設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué) 院： 計算機工程學(xué)院 專 業(yè)： 計算機科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號： 32 學(xué)生姓名： 蘇一昶 指導(dǎo)教師： 郭杰 2017年05月22日基于單片機的MP3設(shè)計與實現(xiàn)摘要：本課題研究的是基于單片機的MP3設(shè)計，隨著電子技術(shù)應(yīng)用的不斷發(fā)展與完善，數(shù)字媒體設(shè)備的發(fā)展也進入一個新的領(lǐng)域，人們對媒體設(shè)備的需求與要求也隨著科技的進步發(fā)生了巨大的改變。因此，將拓展靈活、功能強大的單片機應(yīng)用于MP3音樂播放器在滿足消費者的需求，為數(shù)字媒體設(shè)備更新?lián)Q代提供新思路等方面有著重大的意義與價值。首先，單片機是一種集成電路芯片，選用超大規(guī) 模技術(shù)將具備數(shù)

2、 據(jù)處理(中斷處理、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)運算、邏輯運算)能力的微處理器以及RAM 隨機存儲器，ROM只讀存儲器，數(shù)據(jù)IO系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)，定時器等；將這些功能在一塊單塊芯片上實現(xiàn)，構(gòu)成一個雖然小但是功能完全的最小系統(tǒng)。因為其擴展靈活、控制功能強、功耗低、體積小等優(yōu)點，在數(shù)字化儀表、工業(yè)自動化、智能機器人、計算機網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。音樂播放器通常由中央處理器、音頻解碼模塊、存儲設(shè)備、主機通訊接口模塊、DA轉(zhuǎn)換和功放、控制模塊、界面顯示模塊等幾部分組成。其中中央處理器負(fù)責(zé)對各模塊的調(diào)度，音頻解碼模塊負(fù)責(zé)將音樂文件的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，以便通過功放設(shè)備的播放被人耳接聽；存儲設(shè)備作

3、為音樂文件的載體在音樂播放時將文件送到解碼芯片；控制模塊通過按鍵的方式實現(xiàn)對音樂文件上一首、下一首、播放暫停、音量加、音量減的控制。鑒于單片機強大的拓展功能，將單片機與MP3音樂播放器結(jié)合起來開發(fā)一款基于單片機的MP3音樂播放器。該單片機音樂播放器相比較于傳統(tǒng)的MP3音樂播放器，在實現(xiàn)了原有功能的基礎(chǔ)之上，還具有更為強大的拓展功能。經(jīng)過對多個方案的對比和分析，本設(shè)計方案決定采用ATMEL公司的生產(chǎn)的STC89C51RC芯片作為中央處理器控制芯片，YX5200-24SS芯片作為音頻解碼芯片。51芯片通過軟件控制對接入的各個模塊的調(diào)度，來保證系統(tǒng)的正常運行。音頻解碼芯片通過對U盤數(shù)據(jù)的讀取和解碼，

4、通過DA轉(zhuǎn)換和功放電路實現(xiàn)對數(shù)字信號的解碼播放功能。本論文圍繞設(shè)計思想，詳細(xì)的介紹了MP3音樂播放器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、MP3音樂播放器的工作原理、MP3格式音樂文件的編碼及解碼過程與原理、本設(shè)計的硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計、以及所用芯片的功能和參數(shù)。并給出了一套完備的解決方案，最終完成了了MP3音樂播放器的一般播放功能。關(guān)鍵詞：STC89C51;MP3;YX5200Design and Realization of MP3music Player Based on 89C51Abstract：This topic research is based on single chip microcomp

5、uter MP3 design, with the continuous development of electronic technology and the improvement of the development of digital media devices are also entering a new field, peoples demand for media devices and requirements with the progress of science and technology also great changes have taken place.T

6、herefore, develop flexible and powerful single-chip microcomputer was applied to MP3 music player to meet consumer demand, provide new ideas for digital media equipment upgrades and so on is of great significance and value.First of all, the single chip microcomputer is a kind of integrated circuit c

7、hips, the vlsi technology will have data processing (interrupt handling, arithmetic operations, data operation and logical operations) capability of microprocessor and RAM random access memory, read-only memory ROM, interrupt system and the IO, timer function such as integrated into a single chip, t

8、he minimum system constitutes a small and perfect.Because of its flexible extension, strong control function, the advantages of low power consumption, small volume, in the digital instrumentation, industrial automation, intelligent robot, computer network communication and data transmission, and oth

9、er fields has been widely used.Music player is usually determined by the central processor, the audio decoding module, storage devices, the host communication interface module, D/A conversion and power amplifier module, control module, interface, etc.The central processing unit (CPU) is responsible

10、for scheduling of each module, audio decoding module is responsible for the music file digital signals into analog signals, so that through the power amplifier devices play by ear answer;Storage devices as the carrier of music files in the music playing when to send the file to decoding chips;Contro

11、l module is implemented by means of keys, the poem on the music files, play/pause, volume, volume reduction control.In view of the microcontroller powerful development, combine microcontroller and MP3 music players develop a MP3 music player based on single chip microcomputer.The SCM music player co

12、mpared to traditional MP3 music player, in achieving the function of the original basis, but also has more powerful development.Through comparison of several schemes and analysis, this design scheme has decided to adopt the ATMEL company produces STC89C51RC chip as central processor control chip, YX

13、5200-24 ss as audio decoding chip.51 chip by software control to access the various modules of the scheduling, to ensure the normal operation of the system.Audio decoding chip through the U disk data reading and decoding, through D/A conversion and power amplifier circuit to realize the digital sign

14、al decoding broadcast function.Around the design thought, this paper detailed introduces the research status quo of MP3 music player, the working principle of MP3 music player, MP3 music files encoding and decoding process and the principle, the design of hardware circuit design, software design, an

15、d function and the parameters of the chip used.And gives a complete solution, implement the normal function of MP3 music player.Keywords: STC89C51 ;MP3 music player;YX5200目錄1緒論11.1系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用價值11.1.1選題背景11.2 課題的研究現(xiàn)狀及意義11.2.1研究現(xiàn)狀113 方案選擇32. 系統(tǒng)基本技術(shù)的分析與介紹42.1 MP3音樂播放器的工作原理42.1.1 什么是MP3及MP3音樂播放器的組成42.1.2 音頻

16、的編碼及解碼過程52.2 主要功能芯片介紹82.2.1 中央控制芯片 STC89C5182.2.2 YX5200芯片介紹93. MP3音樂播放器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)113.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計113.2 系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計與說明113.2.1 主控系統(tǒng)模塊113.2.2電源管理模塊123.2.3解碼芯片模塊133.2.4按鍵控制模塊143.2.5LCD顯示模塊144、MP3音樂播放器的軟件設(shè)計及實現(xiàn)164.1語音模塊驅(qū)動設(shè)置174.2 EEPROM設(shè)置184.3初始化LCD的過程195、實驗測試及結(jié)果216、設(shè)計總結(jié)227、致謝228、參考文獻23緒論1.1系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)用價值從身邊的電子產(chǎn)品的不斷更

17、新?lián)Q代，到新聞報道里航空航天，導(dǎo)彈飛船的研制，計算機科學(xué)技術(shù)的不斷進步和單片機系統(tǒng)的廣大應(yīng)用正在改變著我們的生活。近年來隨著計算機相關(guān)技術(shù)的進步和發(fā)展，在各個領(lǐng)域中運用單片機的實例越來越多。1.1.1選題背景隨著社會的進步，人們價值觀的改變，近年來電子產(chǎn)品的需求與技術(shù)發(fā)展與日俱增，從一機難求的iPhone手機，到逐漸崛起的國產(chǎn)神機，市場有需求，技術(shù)就有進步。由于需求的不斷提升與技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度也在逐漸提升，在開發(fā)和使用單片機時，我們也需要更為專業(yè)，更加精細(xì)的要求。當(dāng)然，在音樂領(lǐng)域單片機系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用也獲得了新的突破與發(fā)展。如今，數(shù)字音頻的時代已經(jīng)統(tǒng)治了整個市場，模擬音頻

18、的世界一去不復(fù)返了。在MP3、CD、MD等產(chǎn)品的技術(shù)支持下，音樂的流傳獲得了質(zhì)的飛躍。MP3憑借其小巧靈活、性能強大的獨特產(chǎn)品特性，在產(chǎn)品的應(yīng)用與開發(fā)方面具有很強的可塑性與靈活性，能夠滿足不同消費者的各種需求，因此，在歷經(jīng)考驗之后，MP3以絕對的優(yōu)勢占領(lǐng)了市場，稱為音樂的代名詞。市場的消費數(shù)據(jù)也表明，各品牌多種類型的MP3憑借時尚個性的外形，強悍勁道的播放功能創(chuàng)造了消費類電子產(chǎn)品的一波新潮流。1.2 課題的研究現(xiàn)狀及意義1.2.1研究現(xiàn)狀在了解什么是MP3之前，我們需要先對MPEG（Moving Piceture Experts Group）有一個了解和認(rèn)識,它是International S

19、tandardization Organization（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）的一部分；為音頻和視頻傳送制定國際標(biāo)準(zhǔn)而負(fù)責(zé)，現(xiàn)在常見的標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4，等等。MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)。是該組織定義的，第一個有損音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，把他應(yīng)用在視頻、音頻制作和視頻的上傳下載的Internet應(yīng)用層面上是比較常見的現(xiàn)象。為了減小在壓縮過程中的失真現(xiàn)象，MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)；在人耳聽覺心理學(xué)的基礎(chǔ)上，只是撿取人耳不能識別的部分信息細(xì)節(jié)進行刪除和篩選，所以，人耳能夠聽到的部分，是不會丟失的，只是在音樂的飽滿度上有了一些欠缺，針對不同的需求，MPEG-1格式標(biāo)準(zhǔn)制定了三個層次，每個層次又是一個新的壓

20、縮標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在我們熟知且應(yīng)用最廣泛的是第三層，MP3（全稱：MPEG-1 Layer-3）；是MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)里最為復(fù)雜、壓縮比例最高的一層；本層壓縮標(biāo)準(zhǔn)模式可以將音樂文件以10:1 甚至12:1的比率壓縮。也就意味著一個10M-12M大小的CD文件可以被壓縮成1M左右的MP3格式文件。正是由于MP3體積小，易存儲，音質(zhì)高這些特點。使得MMP3對音樂有了巨大的影響，在人們提到MP3時自然而然的就想到了音樂。Mp3音樂格式，通過心理聲學(xué)刪除了一部分超出人耳識別聲閾的數(shù)據(jù)，在對模擬音頻信號，做數(shù)字化轉(zhuǎn)換過程時，根據(jù)不同的壓縮比例，在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，將音樂文件從時間信號轉(zhuǎn)換到頻域信號。*32波段;多

21、相積分;濾波器（PQF）；*36或12tap;改良離散余弦;濾波器（MDCT）；*混跌衰減后處理據(jù)聲明規(guī)格MPEG，MPEG-4 AAC會（高級音頻編碼）是新一代的MP3格式的，雖然很多其他格式，以創(chuàng)造和促進的重要努力。但是，由于現(xiàn)在任何成功的MP3等格式的空前普及，這種轉(zhuǎn)換是需要時間的。1.2.2 研究的目的與意義雖然MP3音樂播放器早已在國內(nèi)外的電子市場上獨領(lǐng)風(fēng)騷多年。而且隨著手機等的沖擊，但MP3的銷售并沒有受到任何影響。因 其越來越多的功能和模式，以及史無前例的新概念設(shè)計，例如：鏡面設(shè)計、巧克力面板、視頻播放和錄音功能等使得MP3的銷售獲得一次又一次的新的能量。伴隨著這些新鮮的設(shè)計理念

22、和新的拓展功能， MP 3在消費者面前一直保持旺盛的、源源不斷的生命力。雖然這些新鮮吸引人的賣點曾引起MP3一次又一次的熱銷潮流。但是當(dāng)我們拋開光環(huán)進一步去思考這些曾經(jīng)所謂的賣點，其實他們未必都是完美無瑕的，但是在實用可靠的出發(fā)點去思考時，這些元素可能僅僅只是一個用來吸引消費者眼球的賣點，而并未考慮到消費者的使用體驗。雖然MP3音樂播放器的制作生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是在低功耗長待機，以及更好的人際交互方面還欠缺發(fā)展，這也就以為著對現(xiàn)今MP3制作生產(chǎn)工藝的優(yōu)化是有意義的。因為嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展與進步，在各個領(lǐng)域都能看到嵌入式設(shè)備的影子，不論是家用的電器，小孩子的玩具，還是工廠的設(shè)備，國防的武

23、器，都能看到電子產(chǎn)品的應(yīng)用。作為一種經(jīng)典 的嵌入式設(shè)備，MP3音樂播放器在工藝的完善與改進方面亟待提高。本課題基于STC89C51的MP3音樂播放器的設(shè)計方案，進一步改善了這一問題，并提高了MP3的功能延展性與設(shè)計的靈活性。1.2.3 課題研究內(nèi)容本設(shè)計在研究之初，圍繞本設(shè)計擴展性強，功能靈活的中心，借鑒了一些其他的優(yōu)秀經(jīng)驗，以求開發(fā)一款新式的音樂播放平臺，從發(fā)展角度來講，MP3之所以受到消費者的青睞，主要是因為其攜帶方便，外觀時尚，音樂格式存儲下載方便，以及方便的拓展功能，比如錄音，轉(zhuǎn)錄等。本課題提供USB接口，利用U盤作為存儲介質(zhì)，方便存儲、下載。最大化的方便用戶使用該系統(tǒng)。本課題主要內(nèi)容

24、：以單片機系統(tǒng)為中心，將U盤中的存儲的MP3格式歌曲文件通過音頻解碼芯片模塊的USB轉(zhuǎn)串行接口送至STC89C51單片機的內(nèi)部RAM緩沖中，再送至解碼部分解碼，本實驗設(shè)計使用的是YX5200-24ss數(shù)字解碼芯片，其模塊集成了USB通信需要的FAT文件系統(tǒng)?？梢苑奖愕膶崿F(xiàn)USB通信。而不必花費大量時間，去了解繁瑣的USB通信協(xié)議。直接調(diào)用現(xiàn)成的A P I 庫，就可以實現(xiàn)讀、寫數(shù)據(jù)的功能。因此在硬件設(shè)計時，只需要在實現(xiàn)基本單片機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個獨立的音頻通信解碼模塊。就可以實現(xiàn)設(shè)計功能。在軟件設(shè)計上也比較簡單。本系統(tǒng)內(nèi)部電子元件的工作電壓在3 . 3 V左右。本設(shè)計的主要模塊有：1、 LC

25、D模塊：顯示播放歌曲的相關(guān)信息，如歌詞，所在目錄等信息2、 音頻解碼模塊：對存儲的歌曲解碼，通過揚聲器播放3、 USB模塊：1）掛載U盤，作為存儲設(shè)備；2）信息交換4、 電源管理模塊：為系統(tǒng)運行提供穩(wěn)定的電源和電壓保護13 方案選擇在確定了MP3音樂播放器的基本實現(xiàn)方案后，通過對資料的收集與對市場的考察，發(fā)現(xiàn)，基于單片機的MP3音樂播放器的整體方案大致相同，主要部分包括：中央處理器（STC89C51）、音頻解碼芯片、存儲設(shè)備、USB接口、外部控制、串行通訊、電源模塊等組成，實驗初期制定了一下三個方案：方案一：采用ATMEL公司生產(chǎn)的STC89C51作為中央控制芯片，YX5200-24SS作為解

26、碼芯片及數(shù)據(jù)通信芯片。方案二：采用ATMEL公司生產(chǎn)的STC89C51作為中央控制芯片， U S B總線的通用接口芯片使用CH -375，飛利浦公司生產(chǎn)的PHILIPSSAA7550作為音頻解碼芯片。方案三：以ATMEL;公司生產(chǎn)的AT89C51-SND1作為主要控制芯片，該芯片是針對數(shù)字媒體設(shè)備推出的一款專用芯片，因為在該芯片集成了對MP3格式音樂文件，解碼的音頻解碼芯片。所以在是使用時，不需要再添加額外的解碼模塊。在考慮了實際情況以及實現(xiàn)方案的困難度之后，本設(shè)計采用了方案一。首先相對于方案二，兩方案的主控芯片均為ATMEL公司生產(chǎn)的STC89C51芯片，但是在音頻解碼模塊部分，方案一的集成

27、度要遠(yuǎn)高于方案二，實施起來也更為方便。方案一與方案三在芯片集成度與實施難度上差別不大，但AT89C51SND1芯片在本地市場及互聯(lián)網(wǎng)商城較難購買，因此在實地考察了市場，綜合分析了本設(shè)計的功能需求與設(shè)計思路后，決定采用方案一，方案一具備的優(yōu)點如下: 1、 芯片較少，電路結(jié)構(gòu)簡單。2、 軟件方面，可以使用51系列開發(fā)工具及語言進行實現(xiàn)。3、 價格適中，生產(chǎn)成本得到控制。4、 芯片較為常見，市場上易于購買。5、 YX5200解碼芯片支持TF、FAT文件系統(tǒng)，免去對底層繁瑣協(xié)議的了解，直接調(diào)用接口，比較方便。2. 系統(tǒng)基本技術(shù)的分析與介紹2.1 MP3音樂播放器的工作原理2.1.1 什么是MP3及MP

28、3音樂播放器的組成隨著電子產(chǎn)品發(fā)展的加快，MP3音樂播放器以時尚新穎的外形設(shè)計、強大的播放功能以及低廉的價格得到了廣大消費者的認(rèn)可與厚愛。同時，也引起了許多電子發(fā)燒友的興趣。他們通過購買各種電子元件，以設(shè)計出有自己獨特風(fēng)格的MP3為驕傲。緒論里面已經(jīng)介紹過，MP3格式是MPEG-1 Layer-3的簡稱。與之對應(yīng)的還有MP1（MPEG-1 Layer-1）以及MP2（MPEG-1Layer-2）。根據(jù)他們對音頻文件的壓縮率以及編碼器的復(fù)雜程度來區(qū)分三者。其中，對MP1、MP2壓縮率是4;1、6;1到8;1，而MP3音頻文件的壓縮率達到10;1至12;1。雖然MP3對音頻信號有一種有損壓縮模式，

29、但MP3所使用的“感覺編碼技術(shù)”最大限度地減少了語音失真。編碼時，通過分析音頻文件的頻譜，用濾波器過濾噪聲電平。然后，剩余的頻譜是分散的，并安排在一個定量的方式，并最終MP3文件形成。MP3音樂播放器主要由七部分組成，在其中兩部分最為關(guān)鍵，他們分別是中央處理器、音頻解碼芯片部分，中央處理器，即單片機。MP3音樂播放器的控制程序就是在他的基礎(chǔ)上運行的，也被稱之為固件程序（fireware），MP3音樂播放器的所有功能模塊的運行以及數(shù)據(jù)的交互都受它控制與調(diào)度。MP3文件要轉(zhuǎn)換成聲音，需要將以數(shù)字流存儲的文件，解碼成模擬音頻格式，這一轉(zhuǎn)化過程，就需要一個重要的芯片-頻解碼芯片，音頻解碼芯片把數(shù)字信號

30、以PCM的格式解碼，以文件格式接受或發(fā)送數(shù)據(jù)給中央處理器的主機通訊端口。單片機還需要一個通信接口，來保持和其它設(shè)備的通信，此設(shè)計采用USB最為通信端口，在數(shù)據(jù)交換時遵守通信協(xié)議的USB通信協(xié)議、大容量移動存儲SCSI規(guī)范等協(xié)議；DA轉(zhuǎn)換的過程是數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號促進耳機和一個功率放大器等模擬音頻轉(zhuǎn)換成人耳識別信號；在通過音樂播放顯示設(shè)備通常采用液晶顯示器等組件來配合展示相關(guān)信息；各個設(shè)備部件模塊間通過相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的MP3音樂播放的正常運行。以下為MP3的整體原理圖：圖2-1 MP3整體原理圖2.1.2 音頻的編碼及解碼過程MP3文件是幀組成的，幀是MP3文件的最小組成單位，

31、類似于網(wǎng)絡(luò)傳輸中的數(shù)據(jù)幀，MP3中的幀也包含幀頭和數(shù)據(jù)位以及幀的程度等信息。MP3文件主要可以分為三個部分：數(shù)據(jù)幀、TAG_v1幀、TAG_v2幀。不同的幀，包含著不同的內(nèi)容，數(shù)據(jù)幀里面是歌曲的數(shù)字流信息，TAG_v1幀一般在文件尾，主要包含歌曲的版本信息 ，例如作曲，演唱者、發(fā)行時間等。其大體信息如下所示：TAG_v2幀數(shù)據(jù)幀TAG_v1幀圖2-2 MP3 幀結(jié)構(gòu)MP3格式音樂文件采用的是有損壓縮方式。雖然是有損壓縮，但是在“知覺編碼”和“感官編碼技術(shù)”的知識體系影響下，MP3格式音樂文件在人耳能夠識別的聲音區(qū)域的音質(zhì)和碼率都沒有受到影響。MP3格式音樂文件在壓縮時，采用了五大技術(shù)：最小聽覺

32、閾限(The minimal audition threshold)、屏蔽效果(The masking effect)、字節(jié)蓄積(The reservoir of bytes)、接合立體聲(The Joint Stereo)、Huffman 編碼(The Huffman coding)。3首先，最小聽覺閾限技術(shù)，是根據(jù)Fletcher和Munson法則。將人耳可以感知的音頻信號劃分在2KHz5KHz之間，而超出此范圍的聲音因為人耳無法感知，因此在編碼時，可以不對這一范圍內(nèi)的聲音編碼。屏蔽效果，是MP3格式在壓縮文件是采用的另一個技術(shù)，他與最小聽覺閾限技術(shù)的思想是一致的，就是舍去不必要的聲音，在

33、音樂文件中，可能有些聲音比較小，在同時出現(xiàn)聲調(diào)較高的音樂是，較小的這部分音樂可能回被屏蔽掉，而不能被人耳接聽，這部分聲音在編碼時也是可以省略掉的。因為音樂片段的音樂質(zhì)量需要一定的速率編碼來保證。MP3文件格式在編碼時，會壓縮給定速率較低的編碼段落，獲取的空間作為一個緩沖器勻給給定速率較高的編碼段落，從而實現(xiàn)減小文件體積的目的。在立體音響信號的情形下，MP3格式采用“接合立體聲（Joint Stereo）”和“MS立體聲”的編碼方式來進一步壓縮音樂文件的格式。在播放時，通過MP3的解碼器將左右聲道重構(gòu)成原來的格式。在壓縮編碼音樂文件的最后階段，MP3使用Huffman算法技術(shù)來是編碼文件進一步被

34、壓縮。相比較于前四種方法，Huffman算法技術(shù)不是對音樂文件內(nèi)容的壓縮而是對文件大小存儲方式的一個壓縮。因為Huffman碼具有唯一的前綴特性，對高概率出現(xiàn)的編碼符號在解碼時可以被正確的解碼而且速度也非?？?，而在編碼時，采用Huffman編碼可以節(jié)省約20%的存儲空間。Huffman編碼與我們學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，接觸的Huffman樹原理相同，Huffman樹是一種最優(yōu)二叉樹算法，通過把權(quán)值大的數(shù)據(jù)離根節(jié)點越近的算法，使得路徑的值最小，Huffman編碼，根據(jù)各字母出現(xiàn)的頻率，對應(yīng)不同的權(quán)值，用Huffman算法排列，使得程序所占空間得到減小。編碼過程分析：圖2-3 編碼過程在A/D轉(zhuǎn)換時，MP

35、3壓縮格式首先對音頻文件進行量化處理，就像微分定力一樣，將連續(xù)的線性信號，按一定的時間間隔，將連續(xù)的線性信號變量隔離斷開轉(zhuǎn)換成，離散的數(shù)字信號，然后將得到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成二進制，再按MP3規(guī)定的規(guī)律進行編碼。這一過程稱為A/D轉(zhuǎn)換。4圖2-4 量化過程分析解碼分析：作為一個音樂格式標(biāo)準(zhǔn)，解碼部分在MP3的應(yīng)用領(lǐng)域所占的比重還是比較大的，畢竟對大多數(shù)用戶來說，他們使用MP3的主要目的是播放音樂文件，而非去制造一個音樂文件。解碼過程相對于編碼就比較簡單，計算機解碼時不需要參照人類心理聲學(xué)理論，也不必考慮文件的存儲和比特位的分配方式。在解碼時，只需要對讀到的比特流進行分析檢測，重點檢測數(shù)據(jù)幀的頻譜分布

36、，以及數(shù)據(jù)幀的信息。將這些信息根據(jù)解碼的比例系數(shù)，重建為模擬信號。MP3的解碼過程與編碼過程相反，其主要步驟如下第一步：比特流分解，首先把MP3文件用二進制的方式打開，從檢測到的數(shù)據(jù)流中依次讀取出MP3文件的頭信息，變信息以及比例因子信息等。第二步：Huffman解碼，因為編碼時采用的是Huffman編碼方式，解碼時也采用Huffman解碼方式進行解碼，因為Huffman解碼通過查表法實現(xiàn)解碼，因此可以達到節(jié)約CPU時間資源的目的，從而提高系統(tǒng)的運行速率。第三步：逆量化處理，將存儲在u盤中的離散的數(shù)字化信號量轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬量。第四部：立體聲處理，因為在音頻編碼壓縮時將左右聲道做了處理，此時解

37、碼過程中按照相反的公式將聲道重建還原成原來的格式。第五步：頻譜重排列。第六步：抗鋸齒處理。第七部：IMDCT變換。第八步：子帶合成。以上四步是為了將模擬信號在采樣過程中的壓縮狀態(tài)，通過公式變換，還原成壓縮前的狀態(tài)。第九步：PCM輸出。PCM（脈沖，代碼，調(diào)制）脈沖編碼調(diào)制，立體聲和5.1環(huán)繞立體聲支持，被釋放并推出了DVD研討會在1999年。MP3解碼器的工作流程如下圖所示：同步并讀取幀頭解碼邊信息解碼比例系數(shù)霍夫曼解碼轉(zhuǎn)化為PCM采樣逆離散余弦變化刪除偽信號重新量化圖2-5解碼流程將數(shù)字流的音樂文件通過解碼器解碼為模擬信號的過程稱為D/A轉(zhuǎn)換。本小節(jié)主要介紹了MPEG-1 Layer-3格式

38、音樂文件的編碼及解碼原理。通過介紹我們可以得知，編碼過程是解碼過程的反向執(zhí)行過程。壓縮編碼過程是將模擬音頻信號壓縮成數(shù)字信號，以便存儲。解碼播放過程是將存儲設(shè)備里的數(shù)字文件解碼成音頻模擬信號，以用來播放。下圖為MP3音樂格式的壓縮與解壓過程框架圖：分析濾波器組比例器和量化器哈夫曼編碼掩蔽域值邊信號編碼器FFTMDCT動態(tài)加窗逆MDCT動態(tài)加窗合成濾波器組逆比例器和量化器哈夫曼解碼器邊信號解碼器MCUMCU數(shù)字通信圖2-6 編碼解碼流程框架圖2.2 主要功能芯片介紹2.2.1 中央控制芯片 STC89C51STC89C51芯片是MCS-51系列單片機的一個版本。MCS-51系列單片機；一款高性能

39、；8位的單片機操作系統(tǒng)，在1980年被INTEL公司推出。其主要包括8031；8051；8751三個子系列。在指令系統(tǒng)，芯片引腳；上完全兼容8位CPU；在1.2MHz的 12MHz的振蕩器頻率范圍取片；數(shù)據(jù)存儲器128B帶片內(nèi)的4cb；片外尋址尋址存儲器空間下片；64KB片外部數(shù)據(jù)尋址存儲器，用戶64KB的128字節(jié)尋址空間；空間；有21的四個特質(zhì)；一個8位并行I/O接口：P;0，P;1，P;2，P;3；兩個16位;定時器/計數(shù)器；1; 5個兩級優(yōu)先中斷；全雙工串行I/O接口，其中，在多機通信時。第五條關(guān)于乘法和除法；日期，通過本指令，指令包含一個單一的片內(nèi)的結(jié)構(gòu)；強大；處理能力；單+5 V電

40、源；2圖2-7 C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖STC89C51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖從其芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，可以看出，51內(nèi)部的各個模塊，通過內(nèi)部在線緊密連接，他的結(jié)構(gòu)是外圍芯片加CPU的經(jīng)典模式。功能部件的控制不同于一般微機的寄存器和接口寄存器控制。CPU與外圍設(shè)備不分離，采用專用功能寄存器的集中控制，使用更加方便。時鐘電路還集成了石英晶體，形成時鐘。2.2.2 YX5200芯片介紹YX5200芯片，提供了串口通信的音頻解碼芯片，內(nèi)部集成了MCU及adsp高速數(shù)字信號處理器，完美的實現(xiàn)了對MP3、WMV的硬解碼格式。在軟件解碼方面，支持內(nèi)存卡的TF格式和U盤通信的FAT16、FAT32格式。通過串口的指令調(diào)用可實現(xiàn)

41、MP3音樂播放器對音樂的播放及控制功能，不需要再去了解底層的一些比較繁瑣的指令，如驅(qū)動和通信協(xié)議等，使用方便，穩(wěn)定可靠。在功能方面。YX5200芯片支持的采樣率廣（8KHz、11.025 KHz、12 KHz、16 KHz、22.05 KHz、24 KHz、32 KHz、44.1 KHz、48 KHz）；擁有24位DAC輸出，動態(tài)范圍支持90Db，信噪比支持85dB；在文件傳輸方面，文件系統(tǒng)的FAT;16y以及FAT32格式是被支持的；因此在通信方面，可以支持內(nèi)存卡和U盤等存儲設(shè)備。在控制方式上，該芯片支持多種方式的控制方法，包括并口控制，串口控制等，在調(diào)節(jié)音量時，它擁有30級音量可調(diào)。由于Y

42、X5200芯片強大的功能，其在車載導(dǎo)航語音播報、車站安全檢查語音提示、機電設(shè)備故障自動報警、消防語音報警提示等方面得到了廣泛的應(yīng)用。6圖2-8 解碼芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖該芯片的結(jié)構(gòu)圖可以看出，該yx5200芯片是一個集成了16位單片機和專用的音頻解碼器的ADSP SOC程序，使用硬件解碼，解碼和更多的質(zhì)量保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。YX5200芯片的通訊指令：CMD（指令） 對應(yīng)的功能0x01下一首歌曲0x02上一首歌曲0x03指定曲目0x04音量加0x05音量減0x06指定音量0x08指定播放模式0x0d播放0x0e暫停3. MP3音樂播放器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計本課題設(shè)計的目的與意義在于對

43、MP3功能的一個擴充與完善，本設(shè)計方案可以方便的將U盤及電腦上的MP3格式音樂文件通過USB串口傳送到MP3音樂播放器上。本系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計包括:主控芯片STC89C51和各個功能模塊（電源管理模塊、音頻解碼模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊）的連接設(shè)計；電源管理模塊的設(shè)計，在外接電源是需要將電壓轉(zhuǎn)換到3.30V以提供給USB口及其他芯片作為穩(wěn)壓電源；按鍵功能模塊的設(shè)計，主要用于實現(xiàn)對音頻文件播放的控制；音頻解碼芯片與USB口的通信，主要用于MP3音樂文件的傳輸以及音頻文件的解碼；本次設(shè)計的系統(tǒng)工作原理框架圖如下讀取存儲器上的信號解碼器對信號進行解碼通過D/A轉(zhuǎn)換器將解碼出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信

44、號把轉(zhuǎn)換后的模擬音頻放大低通濾波后到音頻輸出圖3-1MP3工作原理圖3.2 系統(tǒng)各個模塊的設(shè)計與說明3.2.1 主控系統(tǒng)模塊相比較于傳統(tǒng)的MP3播放器，本設(shè)計采用C51作控制芯片，在開發(fā)過程中可以極大的拓展系統(tǒng)的功能，滿足本設(shè)計的功能需求。設(shè)計在本設(shè)計選用的STC89C51中，因為該芯片集成了4K的片內(nèi)ROM和EPROM芯片，以及128Byte的片內(nèi)RAM。其片外只讀寄存器的尋址范圍最大為64K。并具有4個并行口以及5個中斷源和一個串行口。所以在使用時只需要配以簡單的必要外部元件就可以構(gòu)成最小單片機系統(tǒng)。一個最小單片機系統(tǒng)主要包括晶振電路與復(fù)位電路兩部分。晶體電路：晶體振蕩器電路起著至關(guān)重要的

45、作用，在供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)相結(jié)合的內(nèi)部電路的車站，有一定的時鐘頻率來控制執(zhí)行的指令序列，晶振速度決定單片機的效率，單片機隊列保持同步的所有部分，單片機系統(tǒng)，所有的組件共享一個晶體振蕩器。本設(shè)計晶振電路圖設(shè)計圖3-2晶振電路圖復(fù)位電路：復(fù)位是單片機的初始化操作，就像電腦死機一樣，單片機在運行時也會出現(xiàn)死機等現(xiàn)象，此時就需要復(fù)位單片機，使其重新正常工作。使RST引腳高電平，并保持一段時間的延遲，就可以實現(xiàn)復(fù)位操作。在實現(xiàn)最小系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)之上，再逐步實現(xiàn)其對整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與連接。在本設(shè)計中。首先將單片機的P2.0口與解碼芯片的BUSY引腳連接控制解碼芯片的工作狀態(tài)，將P3.0與P3.1分別于解碼芯

46、片的RX、TX相連，以提供相同的工作時序信號；然后將P3.3P3.7分別分配給KEY1（開始/暫停）、KEY2（上一曲）、KEY3（下一曲）、KEY4（音量加）、KEY5（音量減）。作為本系統(tǒng)的控制模塊信號交互；X1、X2連接晶振電路，以產(chǎn)生相對穩(wěn)定的時鐘頻率，供系統(tǒng)運行。P1.0P1.4作為控制位于LCD的CE、RST、DC、DIN、CLK連接，以控制LCD的運行狀態(tài)。3.2.2電源管理模塊由于STC89C51和YX5200音頻解碼芯片要求的電壓范圍為2.60V3.70V，然而通過供電接口供給的電源電壓在5.0V左右，不能直接給控制芯片和解碼芯片直接供電，因此必須添加一個穩(wěn)壓電路，使得提供的

47、電壓控制在能滿足芯片工作所要求的穩(wěn)定安全的范圍內(nèi)。對于一個便攜、精密的電子設(shè)備來說，一個良好可靠的電源管理是其穩(wěn)定工作的必要前提。在高速信息傳輸數(shù)碼產(chǎn)品中，通常采用芯片降壓的供電方法來滿足各器件的正常工作。本設(shè)計方案中選擇的是ALPHA公司生產(chǎn)的AS1117M 3.3V管。該芯片有三個引腳，分別為Vin、Vout、GND。該芯片的輸入電壓在4.010.0V，最大輸出電流為800mA。Vout輸出的電壓為3.3V。該芯片不僅能滿足本設(shè)計對電壓轉(zhuǎn)化的要求，而且電路非常簡單。在接通電源時，二極管會發(fā)亮以作提示。其連接電路如下圖所示：圖3-3電源管理模塊電路圖3.2.3解碼芯片模塊解碼芯片模塊作為本設(shè)

48、計系統(tǒng)內(nèi)的第二重要模塊，主要負(fù)擔(dān)的責(zé)任是實現(xiàn)USB口通信功能、音頻解碼功能、D/A轉(zhuǎn)換功能。首先YX5200解碼芯片支持FAT16及FAT32格式的文件系統(tǒng)，通過簡單的串口指令即可實現(xiàn)對音樂的播放功能。在使用時將USB+、USB-兩個引腳與USB基座上的DM、DP引腳相連，即可實現(xiàn)通信功能。在數(shù)字音頻解碼方面，該芯片完美的支持MP3以及WMA等格式的音樂文件，該芯片通過硬解碼的方式解碼音樂文件，在降低信噪比，改善音頻質(zhì)量方面做得很好。經(jīng)解碼芯片內(nèi)部集成的adsp數(shù)字信號處理器解碼后，可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成人耳可以識別的模擬信號。然后在封裝的引腳SPK1、SPK2上連接喇叭或者DAC_R、DAC_

49、L上連接耳機插口，通過功放設(shè)備將其播放出來。該模塊的主要連接圖如下：圖3-4 喇叭電路連接圖3.2.4按鍵控制模塊按鈕控制的基本原理是通過按鍵的開關(guān)來實現(xiàn)的，按鍵控制模塊的按鈕開關(guān)平時總是在斷開的狀態(tài)下的；當(dāng)按鈕被按下時，觸點閉合，產(chǎn)生電流；脈沖波在計算機上生成。從而根據(jù)電路的連接情況，向端口發(fā)送高電平或低電平，達到控制電路信號的目的。因為按鍵一般為機械式開關(guān)，因此在開關(guān)閉合或打開時，不會立即接通或斷掉電源，而是伴隨著一串的抖動，因此在按鍵控制時，需要注意按鍵抖動的消除，防止單片機發(fā)生錯誤判斷。消除抖動的方案主要有硬件消抖與軟件消抖兩種方式。硬件消抖一般采用R-S觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路；軟件消抖一

50、般通過延時函數(shù)實現(xiàn)。在單片機系統(tǒng)中，為了使設(shè)計簡明易懂，一般采用軟件消抖的方案。本部分電路圖如下：圖3-5 按鍵連接電路圖3.2.5LCD顯示模塊LCD顯示模塊采用的是NOKIA 公司生產(chǎn)的 NOKIA 5110 芯片，相比于LCD 1602 芯片；NOKIA 5110芯片具有 價格便宜、接口簡單、消耗低、速度快等優(yōu)點；采用穿行接口與主處理器通信的方式，使通信的線路得到簡化；同時還支持多種穿行通信協(xié)議，使用非常方便。最高傳輸速率可以達到4Mbps;但是NOKIA 5110 芯片本身不帶背光，因此使用時最好自己集成一個背光燈。另外需要注意的是，在使用之前，需要對芯片進行初始化，初始化步驟如下：第

51、一步：清屏。清除屏幕，將顯示緩沖區(qū)DDRAM的內(nèi)容替換成空格（20H），光標(biāo)復(fù)位，地址計數(shù)器AC置零；第二步：功能設(shè)置。設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)與顯示行數(shù)。第三步：開/關(guān)顯示設(shè)置?？刂乒鈽?biāo)顯示、字符是否閃爍等。第四部：輸入方式設(shè)置。設(shè)定光標(biāo)的移動方向。7由于LCD的處理速度比CPU慢，因此在向LCD寫入命令時，需要判斷LCD是否處于BUSY狀態(tài)?？梢酝ㄟ^讀忙標(biāo)志命令來判斷。顯示模塊的電路設(shè)計如下圖所示：圖3-6顯示模塊電路連接圖4、MP3音樂播放器的軟件設(shè)計及實現(xiàn)本設(shè)計MP3音樂播放器的播放設(shè)計是圍繞按鍵控制模塊展開的。在主電路上電后，中央處理器首先會對LCD顯示模塊、MP3音樂解碼模塊及各項數(shù)據(jù)進行初始

52、化，然后向主程序請求讀取數(shù)據(jù)請求，如果處于播放狀態(tài)，調(diào)用播放程序，一直播放到當(dāng)前文件夾最后一首。在播放過程中，主程序也會一直掃描按鍵的中斷情況。在不同的按鍵中斷條件下，執(zhí)行不同的動作，例如開始/暫停、上一首、下一首、音量加、音量減等。下圖是本次設(shè)計的軟件流程圖：產(chǎn)生數(shù)據(jù)請求中斷需要讀下一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)已經(jīng)不足一扇區(qū)結(jié)束當(dāng)前歌曲，指向下一首歌曲讀出一個新的扇區(qū)繼續(xù)往解碼器中送數(shù)據(jù)是否按了暫停鍵等待再次按下暫停鍵否、否是是是是否單擊“選曲”按鈕是否否否否是向CPU請求數(shù)據(jù)圖4-1 軟件工作流程圖4.1語音模塊驅(qū)動設(shè)置通過硬件解碼芯片的說明書，控制芯片對解碼芯片的指令是有10個16進制碼控制的格

53、式如下（以下一曲指令為例）：7EFF0601000000FEFAEF起始命令版本信息數(shù)據(jù)長度命令字節(jié)是否需要應(yīng)答曲目高字節(jié)曲目低字節(jié)校驗位高字節(jié)校驗位低字節(jié)結(jié)束命令圖4-2 控制指令說明查閱了相關(guān)信息后，找到本實驗需要用到的指令，并以數(shù)組的方式進行存儲：音樂播放指令：7EFF060D000000FEEEEF音樂暫停指令：7EFF060E000000FEEDEF播放上一首指令：7EFF0602000000FEF9EF播放下一首指令：7EFF0601000000FEFAEF設(shè)置聲音7EFF06060000VolXXXXEF對解碼模塊發(fā)送對應(yīng)的指令，就可以實現(xiàn)對相關(guān)操作的實現(xiàn)，例如要播放下一曲，則向

54、解碼模塊發(fā)送以下指令：voidMusic_DOWN(void)unsigned char Table10;Table0= 0x7E;Table1= 0xFF;Table2= 0x06;Table3= 0x01;Table4= 0x00;Table5= 0x00;Table6= 0x00;Table7= 0xFE;Table8= 0xFA;Table9= 0xEF;Send_Hex(Table,10);4.2 EEPROM設(shè)置然后就是對EEPROM的讀寫操作，在51單片機內(nèi)，對EEPROM的操作主要有：字節(jié)編程、字節(jié)讀、扇區(qū)擦除；8圖4-3EEPROM操作說明所以首先針對這三個操作，定義需要用到

55、的宏#define ISP_BYTE_READ 1/ISP字節(jié)讀#define ISP_BYTE_PROGRAM 2/ISP直接編程#define ISP_SECTOR_ERASE 3/ISP扇區(qū)擦除圖4-4 控制寄存器然后是對ISP_CONTR控制寄存器的設(shè)置；根據(jù)所附資料，及功能需求；本程序?qū)SP_CONTR設(shè)置值為0x81；在ISP/IAP允許編程改變Flash后，對EEPROM進行相對應(yīng)的操作ISP_CMD = ISP_BYTE_READ;/讀取字節(jié)ISP_CMD = ISP_BYTE_PROGRAM；/對字節(jié)編程ISP_CMD =ISP_SECTOR_ERASE;/擦除扇區(qū)執(zhí)行完這些命令后，還需要ISP_TRIG命令觸發(fā)寄存器的觸發(fā)，操作才能生效。因此在執(zhí)行完命令時，應(yīng)在最后加上：ISP_TRIG = 0x46;ISP_TRIG = 0xb9;使其觸發(fā)，命令生效。根據(jù)此流程，依次實現(xiàn)對EEPROM中內(nèi)容的讀字節(jié)操作；字節(jié)編程操作；扇區(qū)刪除操作。例如扇區(qū)刪除操作的編